CN105048622B - 三线无变压器ups系统以及控制以减小共模电流的方法 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及用于控制具有整流器和旁路开关的双转换三线无变压器不间断供电系统的方法以及双转换三线不间断供电系统。通过根据逆变器是否与旁路电源并联而使用不同类型的PWM控制来去除使用不同整流器电源和旁路电源的三线无变压器UPS系统中的共模扼流圈。当逆变器与旁路电源并联时，使用无共模电压注入的PWM类型。当逆变器未与旁路电源并联时，使用有共模电压注入的PWM控制类型。在一方面中，无共模电压注入的PWM控制是正弦三角PWM，有共模电压注入的PWM控制是空间矢量PWM。

Description

三线无变压器UPS系统以及控制以减小共模电流的方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2014年2月26日提交的美国临时申请No.61/944,619的权益。此申请的全部内容通过引用合并到本文。
技术领域
本申请涉及无变压器不间断供电系统以及用于控制它以减小共模电流的方法。
背景技术
这部分提供并非必定是现有技术的与本公开相关的背景信息。
三线无变压器不间断供电(“UPS”)系统是3根线都通高压且不具有输入变压器和输出变压器的3相系统。这种类型的UPS系统通常被设计成使得它的DC总线上的DC电压尽可能低以使得可以使用较低成本的半导体器件和滤波电容器。然而此选择如本领域中已知的，要求：用于控制UPS系统的逆变器的这种类型的脉冲宽度调制(“PWM”)控制包括共模电压注入以使得逆变器在它的输出端产生期望的峰值AC输出线间电压。
在工作的正常线上模式期间(当逆变器不与旁路电源并联时)，通过负载或公共设施看不到共模电压。然而，在利用整流器和旁路单独电源的三线无变压器UPS系统中，当UPS的逆变器与旁路电源并联时，此共模电压可以驱动共模电流。此共模电流在整流器电源与旁路电源不同步的情况下变大。为了减轻这个问题，在整流器电源与整流器之间插入减小共模电流的共模扼流圈。此共模扼流圈基本上是昂贵、占据很大空间且非常重的电感器。
图1是整流器和旁路开关耦接至的电源是单独电源的典型现有技术三线无变压器双转换UPS系统100的基本框图。UPS系统100包括共模扼流圈102、整流器输入电感器104、整流器输入电容器106、三相整流器108、DC总线110、三相逆变器112、逆变器输出电感器114、逆变器输出电容器116、电池(未示出)、旁路开关120、以及控制模块122。DC总线110是高端轨124、中点轨126和低端轨128耦接至整流器108的相应电能输出端和逆变器112的电能输入端的分离DC总线。整流器108的输入端130通过整流器输入电感器104和共模扼流圈102耦接至整流器电源132。整流器输入电容器106耦接在共模扼流圈102和整流器输入电感器104的接点与公共端134(在地附近浮动而不是直接连接至地)之间。逆变器112的输出端133通过逆变器输出电感器114借由过电流保护器件136(如，熔断器)耦接至负载138。逆变器输出电容器116耦接在逆变器输出电感器114和过电流保护器件136的接点与公共端134之间。控制模块122耦接至旁路开关120、整流器108和逆变器112。应当理解的是，这些电源并非UPS系统100的一部分而通常是诸如来自公共设施的电能馈送。
图2是更详细示出了UPS系统100的双转换部分的基本示意图。如可以从图2看到的，三个相(A、B和C)中的每个相包括各自的共模扼流圈102(标记为102A、102B、102C)、各自的整流器输入电感器104(标记为104A、104B、104C)、各自的整流器输入电容器106(标记为106A、106B、106C)、各自的逆变器输出电感器114(标记为114A、114B、114C)、各自的逆变器输出电容器116(标记为116A、116B、116C)以及过电流保护器件136(标记为136A、136B、136)。将三相整流器108的三个相标记为108A、108B、108C并且将三相逆变器112的三个相标记为112A、112B、112C。每个整流器相的各自输入端130(标记为130A、130B、130C)耦接至整流器电源132的各自相(标记为132A、132B、132C)。包括高端轨124、中点轨126以及低端轨128的DC总线110是三个相的公共DC总线。
当UPS系统100正在双转换模式中工作时，整流器108将来自整流器电源132的输入AC电能转换成DC总线110上的直流(“DC”)电能。逆变器112将DC总线110上的DC电能转换成随后供给到负载138的AC输出电能。在一些情况下，UPS系统100切换成将旁路开关120闭合的旁路模式。AC电能随后直接从旁路电源140流动到负载138。UPS系统100可以在双转换电能流动路径中UPS系统100的部件(如，整流器108或逆变器112)故障时、或者在来自旁路电源140的AC电能的量足够而可以使用它在不通过双转换路径调节的情况下直接对负载138供电时切换成旁路模式。应当理解的是，电源132、140不是UPS系统100的一部分而通常是诸如来自公共设施的电能馈送。
控制模块122控制整流器108、逆变器112、以及旁路开关120。控制模块122监测输入和输出电压和电流并且控制整流器108以对电池(未示出)充电和对包括DC总线电压的DC电能进行稳压并且还控制逆变器112对包括AC电压的AC输出电能进行稳压。
通过调制逆变器112输出脉冲宽度的控制模块122生成UPS系统100的输出电压。它通常通过以期望的调制脉冲宽度切换逆变器112的功率半导体(图2)来这样做。
在正常工作条件下逆变器112使输出电压与旁路电源140的电压同步。由于整流器电源和旁路电源是不同的电源，所以逆变器112和整流器108不会同步。在逆变器112与整流器108不同步的情况下，当逆变器112与旁路电源140并联时，将存在由于用于控制在控制模块122中实施的逆变器112的PWM方法而引起的共模电流。在图1中，由虚线142标记共模电流路径。由实线144标记当UPS系统100处于旁路模式时的负载电流路径。
为了限制此共模电流，在共模电流路径中插入共模扼流圈102。共模扼流圈的尺寸和重量取决于UPS的额定功率。例如，800kVA UPS的共模扼流圈的体积可以是3500立方英寸并且重量在500磅以上。大量的重量在于可以耗费多达2500美元的铜绕组和铁心中的层压钢。所以如果可以去除此共模扼流圈，则UPS会耗费较少并且封装较小。
发明内容
此部分提供了本公开的总体概述，并且不是它的全部范围或它的所有特征的全面公开。
根据本公开的一方面，通过根据逆变器是否与旁路源并联而使用不同类型的PWM控制来去除使用不同整流器电源和旁路电源的三线无变压器UPS系统中的共模扼流圈。当逆变器与旁路电源并联时，使用无共模电压注入的PWM类型。当逆变器未与旁路电源并联时，使用有共模电压注入的PWM控制类型。在一方面中，无共模电压注入的PWM控制是正弦三角PWM，有共模电压注入的PWM控制是空间矢量PWM。
根据本公开的一方面，在不需要高成本磁部件的情况下当三线无变压器UPS的逆变器与旁路电源并联地工作时减小不期望的循环电流。
根据本文中提供的描述，可应用性的进一步方面将变得明显。此发明内容中的描述和具体实例仅意在示例的目的以及并非意在限制本公开的范围。
附图说明
本文中描述的附图仅用于所选择实施方式的示例性目的和并非所有可能的实施，而且并非意在限制本公开的范围。
图1是现有技术三线无变压器双转换UPS系统的基本框图；
图2是图1的UPS系统的双转换部分的基本示意；
图3是正弦三角PWM控制和空间矢量PWM控制的示例；
图4是示出了正弦三角PWM控制和空间矢量PWM控制的等效线间电压的示例；
图5是示出了用空间矢量PWM控制还用正弦三角PWM控制的循环共模电流的示波器轨迹；以及
图6是根据本公开一个方面的三线无变压器双转换UPS系统的基本框图。
对应的附图标记在附图的数个视图中通篇表示对应的部分。
具体实施方式
现在将参照附图更全面地描述实例实施方式。
在三线无变压器UPS系统中存在两种通常使用类型的PWM控制，即，正弦三角PWM和空间矢量PWM。通过将参考电压与载波信号300相比较来生成脉冲宽度，如图3中所示。由图3中的302标记正弦三角参考电压，由图3中的304标记空间矢量参考电压。
空间矢量参考电压具有谐波分量然而正弦三角参考是完美正弦波。空间矢量信号中的谐波包括三次谐波，例如，第三谐波、第九谐波等。这些三次谐波在从线对地测量时创建UPS系统的输出电压中的共模电压，也就是说，同样的共模电压同时地存在于三线系统的所有三个相上。这些谐波由于差分测量将会消除共模电压所以当从线间测量时不存在。对于三线系统，负载总是线至线以及所以空间矢量PWM完全合适。然而，当逆变器与接地的旁路电源并联时，如图1中所示，共模电压将会驱动会引起电源(二者之一或者旁路电源和整流器电源这二者)问题的共模电流(共模电流路径142)。应当理解的是，尽管旁路电源和整流器电源接地，通常是具有地端的Y字形电源，但是此地端并未引入到UPS系统的双转换部分中。
正弦三角PWM控制由于它不包含此共模电压所以不具有此缺点。然而，正弦三角PWM控制的缺陷是需要较高DC总线电压以生成同样的AC输出电压。图4示出了空间矢量PWM控制和正弦三角PWM控制的等效线间电压。由图4中的400标记空间矢量PWM控制的线间电压以及由图4中的402标记正弦三角PWM控制的线间电压。如从图4可以看出的，空间矢量线间电压信号比正弦三角电压信号高出大约15％所以使用空间矢量PWM控制时的DC总线电压可以比使用正弦三角PWM控制时低15％，允许较低额定电压部件的使用，特别是对于整流器、逆变器、整流器输入电感器、整流器输入电容器、逆变器输出电感器以及逆变器输出电容器。
根据本公开的一个方面，使用正弦三角PWM控制和空间矢量PWM控制来控制利用单独整流器电源132和旁路电源140的三线无变压器UPS系统的逆变器，如，UPS系统600(图6)的逆变器112。UPS系统600除了UPS系统600没有共模扼流圈102并且控制模块122'被配置成使用正弦三角PWM控制和空间矢量PWM控制这二者来控制逆变器112以外基本上与UPS系统100一样。
使用正弦三角PWM控制还是空间矢量PWM控制取决于UPS系统的工作模式。参照UPS系统100，当UPS系统100在双转换模式中工作时，逆变器112将所有电能供给到负载138所以使用空间矢量PWM控制来控制逆变器112以在逆变器112的输出端133处生成完全线间电压。当负载138转移至旁路时，控制模块122在逆变器112与旁路电源140并联时的期间切换成在负载138向旁路的转移期间用来控制逆变器112的正弦三角PWM控制。一旦负载138完全转移至旁路，逆变器112就停止运转以节省电能。同样，当UPS系统100处于逆变器112持续地与旁路电源140并联的能量节省模式中时，使用正弦三角PWM控制来控制逆变器112。UPS系统600是800KVA UPS系统的图5中示出了基于UPS系统100的工作模式在两个PWM控制之间改变的好处。如图5中所示，在UPS系统600处于能量节省模式中时使用正弦三角PWM控制来控制逆变器112致使共模电流通过约50安培有效值的路径142(图6)循环。相比之下，如果在UPS系统600处于能量节省模式中时使用了空间矢量PWM控制来控制逆变器112，则致使共模电流通过约400安培有效值的路径142循环。
如本领域普通技术人员将会理解的，在能量节省模式中旁路开关闭合并且旁路电源是去往负载的电能主要来源。UPS系统的逆变器与旁路电源并联以调节提供给负载的电能来改进电能的质量，如，谐波减少。
替代途径是仅使用正弦三角PWM控制(这需要使用较高额定电压部件)或空间矢量PWM控制(这需要使用共模扼流圈)。如上所述，这些替选方案这二者均增加成本而且降低UPS系统的效率。
实施上述类型PWM控制的控制模块122'可以是或者包括数字处理器(DSP)、微处理器、微控制器、或者编程有实施上述类型PWM控制的软件的其他可编程器件。应当理解的是，可以使用其他逻辑器件，如，现场可编程门阵列(FPGA)、复杂可编程逻辑器件(CPLD)、或者专用集成电路(ASIC)。当叙述控制模块122'执行功能或被配置成执行功能(如，控制逆变器112)时，应当理解的是，控制模块122'被配置成用适当的逻辑(软件、硬件、或者二者的组合)(如，通过适当的软件、包括离散逻辑和集成逻辑的电子电路、或者其组合)来这样做。
为了示例和描述的目的提供了实施方式的以上描述。它并非意在穷举或限制本公开。特定实施方式的各个元件或特征通常不限于该特定实施方式，但是在可应用的情况下是可互换的并且可以在所选择的实施方式中使用，即使是在未具体示出或描述的情况下。同样的内容也可以通过许多方式变化。这种变化不被视为脱离本公开，并且所有这种修改意在被包括在本公开的范围内。

Claims (4)

1.一种用于控制具有整流器和旁路开关的双转换三线无变压器不间断供电系统的方法，整流器耦接至整流器电源，旁路开关耦接至旁路电源，其中，整流器电源和旁路电源是不同电源，不间断供电系统包括逆变器和控制模块，所述方法包括：
当逆变器与旁路电源并联时用无共模注入的脉冲宽度调制控制和当逆变器未与旁路电源并联时用有共模注入的脉冲宽度调制控制，来使用控制模块控制逆变器。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，用无共模注入的脉冲宽度调制控制来控制逆变器包括用正弦三角脉冲宽度调制控制来控制逆变器，用有共模注入的脉冲宽度调制控制来控制逆变器包括用空间矢量脉冲宽度调制控制来控制逆变器。
3.一种双转换三线不间断供电系统，包括：
整流器，在整流器和整流器电源之间无串联共模扼流圈的情况下耦接至整流器电源，整流器的输出端耦接至逆变器的输入端；
旁路开关，耦接至与整流器电源不同的旁路电源；以及
控制模块，用于控制整流器、旁路开关和逆变器，控制模块被配置成当逆变器与旁路电源并联时用无共模注入的脉冲宽度调制控制来控制逆变器以及当逆变器未与旁路电源并联时用有共模注入的脉冲宽度调制控制来控制逆变器。
4.根据权利要求3所述的不间断供电系统，其中，无共模注入的脉冲宽度调制控制是正弦三角脉冲宽度调制控制，有共模注入的脉冲宽度调制控制是空间矢量脉冲宽度调制控制。
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